ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΚΕΝΟΥ ΔΩΜΑΤΙΟΥ ΜΕ ΦΥΤΕΜΕΝΗ ΟΡΟΦΗ

Transcript

1 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΚΕΝΟΥ ΔΩΜΑΤΙΟΥ ΜΕ ΦΥΤΕΜΕΝΗ ΟΡΟΦΗ Δ. Φείδαρος 1, Κ. Μπαξεβάνου 1, Θ. Μπαρτζάνας 1 και Κ. Κίττας 1,2 1 Κέντρο Έρευνας Τεχνολογίας & Ανάπτυξης Θεσσαλίας, Ινστιτούτο Τεχνολογίας & Διαχείρισης Αγρο-Οικοσυστημάτων, 1 η Βιομηχανική Περιοχή, Τ.Κ Βόλος, dfeid@cereteth.gr 2 Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Τμήμα Γεωπονίας, Φυτ. Παρ/γής και Αγρ. Περ/ντος, Εργαστήριο Γεωργικών Κατ/ών και Ελέγχου Περ/ντος, Ν. Ιωνία Τ.Κ-38446, ckittas@uth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα μελέτη ερευνάται η μεταβολή του θερμικού φορτίου ενός τυπικού δωματίου εξοπλισμένου με φυτεμένο δώμα με μεθόδους υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD). Στο αστικό περιβάλλον τα ψυκτικά φορτία κτιρίων επιβαρύνουν το περιβάλλον, μέσω της δέσμευσης πόρων για την παραγωγή ενέργειας, μέσω των εκπομπών που την συνοδεύουν από ορυκτά καύσιμα και τέλος μέσω της επίδρασης στο αστικό μικροκλίμα από την αποβάλλουσα θερμότητα των εξωτερικών κλιματιστικών μονάδων. Μια ενδεδειγμένη μέθοδος για την μείωση των ψυκτικών φορτίων κτιρίων είναι η φύτευση της οροφής προκειμένου να ενισχυθεί η θερμομόνωση του και να μεταβληθεί το περιβάλλων μικροκλίμα του κτιρίου. Η επίδραση των ταρατσόκηπων στο εσωτερικό κλίμα των κτιρίων έχει μελετηθεί στο παρελθόν κυρίως με αναλυτικές και πειραματικές μεθόδους, ενώ πολύ λίγες εργασίες έχουν δημοσιευθεί με αριθμητικά αποτελέσματα μελετών απόδοσης ταρατσόκηπου. Λέξεις κλειδιά: Ταρατσόκηποι, Θερμικά & Ψυκτικά φορτία, προσομοίωση ακτινοβολίας, εξοικονόμηση ενέργειας. NUMERICAL SIMULATION OF AN EMPTY ROOM THERMAL BEHAVIOUR WITH GREEN ROOF D.Fidaros 1, C.Baxevanou 1, T.Bartzanas 1 and C.Kittas 1,2 1 Centre for Research and Technology-Thessaly, Institute of Technology and Management of Agricultural ecosystems, 1st Industrial Area, Volos, 38500, dfeid@cereteth.gr 2 University of Thessaly, School of Agricultural Sciences, Department of Agriculture, Crop Production and Rural Environment, N. Ionia, 38446, Magnisia, ckittas@uth.gr ABSTRACT In the present study the variation of the solar thermal gain in a typical room equipped with planted roof using CFD techniques is investigated. Buildings cooling loads aggravate the urban environment through the exhaustion of natural resources spent for the electrical power production, the emissions accompanying the power production process by conventional fossil fuels and finally through the thermal emissions to the building surroundings by the outer split unit of an AC system. A method to reduce the cooling needs of a building is the planting of the roof in order to reduce the energy demands for heating and cooling by advancing the local microclimate over and around the building through the plants presence. The influence of green roofs in interior climate of buildings has been studied mainly with analytical and experimental methods, while a small number

2 of them are dedicated to numerical methods presenting results about the energy performance of an installed green roof over a building s roof. Keywords: Green roofs, Heating & Cooling loads, solar radiation simulation, energy saving 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στη συγκεκριμένη εργασία εξετάζεται ένα δωμάτιο με παράθυρο στο Νότο και δύο ελεύθερους τοίχους στους οποίους είναι γνωστή η προσπίπτουσα ακτινοβολία καθώς και η εξωτερική θερμοκρασία. Οι άλλοι δύο τοίχοι καθώς και το πάτωμα θεωρείται ότι συνορεύουν με κλιματιζόμενους χώρους με συνέπεια να επιβάλλονται ισοθερμοκρασιακές οριακές συνθήκες. Για την οροφή θεωρείται γνωστή η προσπίπτουσα ακτινοβολία καθώς και η θερμοκρασία. Η προσομοίωση αφορά την φθινοπωρινή ισημερία σε γεωγραφικό πλάτος που αντιστοιχεί στην Κεντρική Ελλάδα (Λάρισα). Προσομοιώνονται δύο περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση, η ταράτσα θεωρείται γυμνή ενώ στην άλλη θεωρείται καλυμμένη με φυτά. Τα αποτελέσματα δίνονται με τη μορφή κατανομών θερμοκρασίας και ταχύτητας του αέρα εντός του δωματίου σε τομές και με τη μορφή του συνολικού θερμικού κέρδους του δωματίου, ώστε να παρέχεται η δυνατότητα της οικονομικής αξιολόγησης και αποδοτικότητας της επένδυσης. Δεδομένου ότι η φύτευση επιβαρύνει με κόστος τον κατασκευαστή είναι σημαντικό να γνωρίζουμε το ακριβές κέρδος που μπορεί να προκύψει από μια τέτοια επέμβαση καθώς και τη μεταβολή που θα επιφέρει στην κατανομή της θερμοκρασίας στον εσωτερικό χώρο. Μέχρι στιγμής το ζήτημα των ταρατσόκηπων έχει αντιμετωπιστεί κυρίως σε επίπεδο αρχιτεκτόνων, πολιτικών μηχανικών και λιγότερο γεωπόνων. Στην παρούσα εργασία επιχειρείται η κατασκευή ενός μοντέλου στο οποίο θα είναι δυνατή η μεταβολή των θερμικών και οπτικών χαρακτηριστικών του δομικού στοιχείου προκειμένου να είναι εύκολη η διεξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τις βελτιώσεις που μπορεί να προκύψουν από διαφορετικές αρχιτεκτονικές λύσεις καθώς και από διαφορετικές εφαρμογές φύτευσης. Η ποσοτικοποίηση του κέρδους θα επιτρέψει στον μελετητή της κατοικίας να βελτιστοποιήσει τη μελέτη του. Η επίδραση των ταρατσόκηπων στο εσωτερικό κλίμα των κτιρίων έχει μελετηθεί στο παρελθόν κυρίως με αναλυτικές και πειραματικές μεθόδους (Santamouris etal., 2007). Πολύ λίγες είναι οι δημοσιευμένες αριθμητικές εργασίες που προσομοιώνουν τα φαινόμενα μεταφοράς σε χώρους που καλύπτονται από ταρατσόκηπους (Eumorfopoulou etal,. 1995). Στην πρώτη μελετάται πειραματικά η ενεργειακή και περιβαλλοντική απόδοση ενός συστήματος ταρατσόκηπου τοποθετημένου πάνω σε νηπιαγωγείο και το ενεργειακό κέρδος υπολογίζεται με το πρόγραμμα TRNSYS. Μια παρόμοια εργασία παρουσιάζεται (Lazzarin etal, 1998) για έναν ταρατσόκηπο εγκατεστημένο σε νοσοκομείο. Στις εργασίες των (Lazzarin etal, 1998; Palomo del Barrio, 1998) παρουσιάζεται ένα μαθηματικό μοντέλο για την πραγματική δυναμική συμπεριφορά ενός ταρατσόκηπου, ενώ σε ακόλουθη (Theodosiou, 2003) αναπτύσσεται ένα αναλυτικό μοντέλο κατάλληλο για τον υπολογισμό της θερμικής συμπεριφοράς υπαρχουσών κατασκευών για φυτεμένες ταράτσες. Ένα σημαντικό πρόβλημα μοντελοποίησης της απόδοσης ενός ταρατσόκηπου είναι η έλλειψη στοιχείων που αφορούν τις θερμικές και οπτικές ιδιότητες των υλικών στην περιοχή της ορατής και της θερμικής ακτινοβολίας. Έτσι μια σειρά εργασιών έχουν παρουσιαστεί στις οποίες εξετάζεται το πρόβλημα του προσδιορισμού των ιδιοτήτων αυτών (Niachou etal, 2001; Ondinu & Murase, 2007). Στην παρούσα εργασία περιγράφονται τα φαινόμενα ροής από τις εξισώσεις Navier-Stokes και η μεταφορά θερμότητας από την εξίσωση ενέργειας. Η επίδραση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στους εξωτερικούς τοίχους-παράθυρα και την οροφή, καθώς και η εκπεμπόμενη από τα υλικά ακτινοβολία προσομοιώνονται με το

3 μοντέλο ακτινοβολίας Discrete Ordinates. Η ροή εντός του δωματίου είναι τυρβώδης, ενώ το φαινόμενο της θερμικής άνωσης αντιμετωπίζεται με την προσέγγιση Boussinesq. Χρησιμοποιείται πηγαίος κώδικας υπολογιστικής ρευστοδυναμικής στον οποίο έχουν ενσωματωθεί απαιτούμενα υπομοντέλα, που αφορούν την μετάδοση θερμότητας και τις οριακές συνθήκες. Η επίλυση των εξισώσεων γίνεται με τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων σε τρισδιάστατο πλέγμα. 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 2.1 Μαθηματικό Μοντέλο Η ροή εντός του δωματίου θεωρείται 3Δ, μη-μόνιμη ασυμπίεστη και τυρβώδης. Στην παρούσα εργασία τα φαινόμενα μεταφοράς ροής και θερμότητας περιγράφονται από τις Navier-Stokes εξισώσεις (Launder & Spalding, 1974; Ferziger & Peric, 1996) Εντός των στερών ορίων επιλύεται η εξίσωση Fourier η οποία αποτελεί την εκφυλισμένη μορφή της γενικευμένης εξίσωσης ενέργειας. Η επίδραση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στους εξωτερικούς τοίχουςπαράθυρα και την οροφή, η εκπεμπόμενη από τα υλικά ακτινοβολία καθώς και η μετάδοση της ακτινοβολίας μέσα στο υπολογιστικό πεδίο προσομοιώνονται με το μοντέλο DO (Raithby & Chui, 1990; Chui & Raithby, 1993; Raithby, 1999; Kim & Huh, 2000). Σε αυτό το μοντέλο η ακτινοβολία θεωρείται ότι μεταφέρεται διαμέσου του υλικού ισοταχώς ταυτόχρονα προς όλες τις κατευθύνσεις. Το μοντέλο DO επιτρέπει την επίλυση της ακτινοβολίας σε ημι-διαφανείς τοίχους και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μοντελοποίηση όπου οι οπτικές ιδιότητες των υλικών εξαρτώνται από το μήκος κύματος. Έτσι είναι κατάλληλο για να χρησιμοποιηθεί με υλικά στα οποία ο φασματικός συντελεστής απορρόφησης α λ διαφοροποιείται βηματικά συναρτήσει του μήκους κύματος της ακτινοβολίας. Η ροή εντός του δωματίου είναι τυρβώδης και μοντελοποιείται με το k-ω μοντέλο τύρβης υψηλού αριθμού Re (Wilcox, 1994) με συναρτήσεις τοίχου. Το φαινόμενο της θερμικής άνωσης αντιμετωπίζεται με την προσέγγιση Boussinesq. Η χρήση του μοντέλου προσφέρει ταχύτερη σύγκλιση καθώς λαμβάνει υπόψη τη μεταβολή της πυκνότητας λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας μόνο κατά τον υπολογισμό του όρου πηγής f b της εξίσωσης μεταφοράς ορμής ενώ οπουδήποτε αλλού θεωρεί την πυκνότητα σταθερή. Συγκεκριμένα προσεγγίζει την πυκνότητα από τη σχέση 0 1 T (4) Όπου β ο συντελεστής θερμικής διαστολής και T η θερμοκρασία με αποτέλεσμα ο όρος πηγής να υπολογίζεται από τη σχέση fb 0 g o T T0 g (5) 2.2. Αριθμητικό Μοντέλο Οι εξισώσεις μεταφοράς επιλύθηκαν με τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων χρησιμοποιώντας ένα τρισδιάστατο πλέγμα. Εξετάστηκαν δύο πλέγματα ένα των κελιών και ένα των κελιών προκειμένου να εξασφαλιστεί η ανεξαρτησία των αποτελεσμάτων και λύσεων από το μέγεθος της υπολογιστικής διαφοροποίησης. Στη δεύτερη περίπτωση εφαρμόστηκαν πρακτικές πύκνωσης του πλέγματος κοντά στα στερεά όρια προκειμένου να εξασφαλιστεί η σωστή εφαρμογή των συναρτήσεων τοίχου που απαιτεί το μοντέλο τύρβης. Για τη σύζευξη των ταχυτήτων με την πίεση χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος SIMPLEC. Η διακριτοποίηση των όρων συναγωγής των εξισώσεων μεταφοράς της ορμής έγινε με το σχήμα QUICK, της τυρβώδους κινητικής ενέργειας k και της ακτινοβολίας στο μοντέλο DO έγινε μέσω του σχήματος SOU, ενώ στην εξίσωση μεταφοράς του ειδικού ρυθμού σκέδασης χρησιμοποιήθηκε πρώτης τάξης ανάντη σχήμα, και της ενέργειας με το τρίτης τάξης σχήμα MUSCL. Τέλος οι όροι διάχυσης όλων των εξισώσεων μεταφοράς διαφοροποιήθηκαν με το σχήμα των κεντρικών διαφορών. Το χρονικό βήμα που χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση της μη-μόνιμης συμπεριφοράς κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής ημέρας ήταν dt=60sec, και

4 πραγματοποιήθηκαν 720 βήματα προκειμένου να καλυφθεί η χρονική διάρκεια των 12 ωρών της ισημερίας. Το κριτήριο σύγκλισης τέθηκε 10-4 για όλες τις μεταβλητές εκτός της ενέργειας για την οποία τέθηκε Για το μοντέλο ηλιακής ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκαν δύο φάσματα μήκους κύματος, που αντιστοιχούν στην ορατή και την υπέρυθρη ακτινοβολία (λ=0-1.1 μm και λ= μm). 3. ΜΕΛΕΤΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 3.1 Γεωμετρία Στη συγκεκριμένη περίπτωση εξετάζεται δωμάτιο μεγέθους 3x4x3 m με ένα παράθυρο στην Ανατολή μεγέθους 1x1 m, μια πόρτα στο Νότο 1.5x2.2 και δύο ελεύθερους τοίχους πάχους 20 cm (Ανατολή και Νότος) στους οποίους είναι γνωστή η προσπίπτουσα ακτινοβολία καθώς και η εξωτερική θερμοκρασία. Οι άλλοι δύο τοίχοι καθώς και το πάτωμα θεωρείται ότι συνορεύουν με κλιματιζόμενους χώρους και συνεπώς επιβάλλονται ισοθερμοκρασιακές οριακές συνθήκες. Για την οροφή λαμβάνεται ως γνωστή η προσπίπτουσα ακτινοβολία καθώς και η θερμοκρασία και το πάχος της λαμβάνεται 30 cm. 3.2 Ιδιότητες υλικών Ο αέρας εντός του δωματίου θεωρείται ότι έχει τις ακόλουθες θερμοφυσικές και οπτικές ιδιότητες: ρ = Kg/m 3, C p = 1005 J/KgK, k = W/mk, μ = Kg/ms, α = 0 [1/m], β = /K και n = 1. Η πόρτα και το παράθυρο θεωρούνται γυάλινες επιφάνειες με τις ακόλουθες θερμικές ιδιότητες k eff =19.5 W/mk, ρ av = Kg/m 3, Cp eff = 23 J/kgK, ενώ οι οπτικές ιδιότητες δίνονται από τον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας 1 Οπτικές ιδιότητες γυάλινων επιφανειών Υλικό PAR NIR a (Απορροφητικότητα) τ (Περατότητα) ρ (Ανακλαστικότητα) n (Δείκτης διάθλασης) Πάχος [mm] Οι πλαϊνοί τοίχοι θεωρούνται ότι είναι δρομικοί με την ακόλουθη σύσταση και θερμοφυσικές ιδιότητες. Πίνακας 2. Στρώσεις και ιδιότητες δρομικού τοίχου α/α Στρώμα Πάχος d m] Πυκνότητα ρ [Kg/m 3 ] λ [kcal/mhc] Cp [kj/kg] 1 Επίχρισμα Τούβλο Μόνωση Τούβλο Επίχρισμα Ο συντελεστής εκπομπής λαμβάνεται ε=0.93 ενώ ο συντελεστής αντανάκλασης ρ=0.4. Για λόγους υπολογιστικής οικονομίας δεν αναγνωρίζονται τα ξεχωριστά στρώματα υλικών και συνεπώς χρησιμοποιούνται τιμές θερμικών ιδιοτήτων που αντιστοιχούν στις δρώσες τιμές του παραπάνω συνόλου. Η οροφή αντίστοιχα αποτελείται από την ακόλουθη σύσταση. Πίνακας 3. Στρώσεις και ιδιότητες απλής οροφής α/α Στρώμα Πάχος d [m] Πυκνότητα ρ [Kg/m3] λ [W/mk] Cp [J/KgK] 1 Επίχρισμα Μπετό Μόνωση Στεγάνωση Κάλυψη

5 Για την περίπτωση που είναι καλυμμένη με άσφαλτο και χαλίκι λαμβάνεται ε=0.87 και ρ=0.13 και ομοίως αντιμετωπίζεται ως ενιαίο υλικό. Τέλος στην περίπτωση που η οροφή θεωρείται ταρατσόκηπος θεωρείται ότι αποτελείται από την ακόλουθη σύσταση (Theodosiou, 2003). Τα φυτά θεωρείται ότι έχουν ε=0.7 και ρ=0.23. Πίνακας 4. Στρώσεις και ιδιότητες φυτεμένης οροφής Πάχος Πυκνότητα α/α Υπόστρωμα d [m] ρ [Kg/m 3 λ [W/m k] Cp [J/Kg K] ] 1 Greenery (sedum) Soil (για υγρό χώμα) Filter sheet Drainage layer (polythelene) 5 Retention sheet 6 Anti-root barrier 7 Water proof sheet Μπετόν Επίχρισμα Οριακές συνθήκες Το δάπεδο, ο βόρειος και δυτικός τοίχος του δωματίου θεωρούνται ισόθερμοι τοίχοι, χωρίς πάχος. Σε ότι αφορά την ακτινοβολία θεωρούνται αδιαφανείς επιφάνειες οι οποίες μπορούν να απορροφήσουν μέρος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, να ανακλάσουν την υπόλοιπη και να εκπέμψουν ανάλογα με τη θερμοκρασία τους. Η θερμοκρασία τους θεωρείται σταθερή καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας και ίση με 20 o C. Η πόρτα και το παράθυρο θεωρούνται ότι αποτελούνται εξωτερικά από δύο συζευγμένους ημι-διαφανείς τοίχους και εσωτερικά από στερεό με τις θερμικές και οπτικές ιδιότητες που έχουν περιγραφεί. Εξωτερικά εφαρμόζεται μικτή θερμική οριακή συνθήκη που σημαίνει ότι η μετάδοση της θερμότητας γίνεται με συνδυασμό συναγωγής και ακτινοβολίας. Ο συντελεστής συναγωγής με τον εξωτερικό αέρα λαμβάνεται ίσος με α= 7.1 W/mk., ενώ για την ακτινοβολία θεωρούνται ημι-διαφανείς επιφάνειες. Αυτό σημαίνει ότι ένα μέρος από την προσπίπτουσα ακτινοβολία ανακλάται ενώ το υπόλοιπο διαπερνά την επιφάνεια. Η απορρόφηση της διερχόμενης ακτινοβολίας γίνεται από το στερεό που θωρείται ότι καταλαμβάνει το χώρο μεταξύ των δύο ημι-διαφανών τοίχων. Μέσα στο στερεό επιλύονται οι εξισώσεις ενέργειας και ακτινοβολίας, αλλά όχι οι εξισώσεις ορμής και τύρβης. Οι δύο ημιδιαφανείς τοίχοι και το εσωτερικό είναι συζευγμένα με αποτέλεσμα οι τιμές των επιλυόμενων παραμέτρων να μεταφέρονται από τη μία επιφάνεια στην άλλη. Η μεταβολή της εξωτερικής θερμοκρασίας δίνεται στο σχήμα 2, ενώ η μεταβολή της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στο σχήμα 3 και θεωρείται ότι βρίσκεται όλη στο πρώτο φάσμα της επιλυόμενης ακτινοβολίας. Οι τοίχοι καθώς και η οροφή επίσης θεωρούνται ότι αποτελούνται από δύο εξωτερικούς ημι-διαφανείς τοίχους και εσωτερικά από ένα στερεό το οποίο έχει τέτοιες οπτικές ιδιότητες (συντελεστή απορρόφησης) που να εξασφαλίζει ότι η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία θα έχει πλήρως απορροφηθεί στα πρώτα υπολογιστικά κελιά. Με αυτό τον τρόπο όμως εξασφαλίζεται η αύξηση της θερμοκρασίας του τοίχου λόγω ακτινοβολίας, η δυνατότητα να μελετηθεί η θερμοαποθήκευση καθώς και να ληφθεί υπόψη η ακτινοβολία υπέρυθρης ακτινοβολίας από τον τοίχο προς το εσωτερικό. Η προσομοίωση αφορά την 21 η Σεπτεμβρίου σε γεωγραφικό πλάτος που αντιστοιχεί στην Κεντρική Ελλάδα (γεωγραφικό πλάτος L=22.57, γεωγραφικό μήκος φ=39.22 και GT=+2h). Προσομοιώνονται δύο περιπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση η ταράτσα θεωρείται γυμνή ενώ στην άλλη θεωρείται καλυμμένη με φυτά.

6 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στο σχήμα 1 δίνονται σε δύο τομές, η κατανομή και τα διανύσματα ταχυτήτων καθώς και η κατανομή θερμοκρασίας στις 12 το μεσημέρι για την περίπτωση της φυτεμένης οροφής. Παρατηρείται ισχυρά τυρβώδης ροή με ανακυκλοφορίες κοντά στην οροφή όπου οι θερμοκρασιακές κλίσεις είναι πιο έντονες, ενώ οι μεγαλύτερες ταχύτητες εμφανίζονται στο κέντρο του δωματίου. Η παρούσα περίπτωση δεν μπορεί να συγκριθεί με τις συνήθεις περιπτώσεις ροής σε κλειστές κοιλότητες δεδομένου ότι η θερμή επιφάνεια βρίσκεται στην άνω συνοριακή επιφάνεια. Σχήμα 1. Κατανομή ταχυτήτων και θερμοκρασίας στις 12h. Στο σχήμα 2 δίνονται οι καμπύλες χρονικής μεταβολής των μέσων θερμοκρασιών του εξωτερικού περιβάλλοντος (Τa), της οροφής (Τc) και του εσωτερικού χώρου (Τin) και για τις δύο περιπτώσεις, της απλής οροφής (s) με διακεκομμένη γραμμή και της φυτεμένης (g) με συνεχή γραμμή. Σχήμα 2. Χρονική μεταβολή μέσων θερμοκρασιών: α) Εξωτερικού περιβάλλοντος (Τα), β) Οροφής (Tc) και γ) εσωτερικού χώρου (Τin), για την περίπτωση της απλής οροφής (s) και της φυτεμένης (g) Με δεδομένο ότι η αρχική θερμοκρασία του υπολογιστικού χώρου θεωρήθηκε ίση με 300 K, η αρχική θερμοκρασία της οροφής και του εσωτερικού μειώνεται μέχρι περίπου τις 9h. Στην συνέχεια αρχίζει να αυξάνει λόγω κυρίως της ηλιακής ακτινοβολίας και δευτερευόντως λόγω της αύξησης της εξωτερικής θερμοκρασίας για να μειωθεί ξανά τις απογευματινές ώρες. Η μείωση γίνεται με βραδύτερους ρυθμούς ενώ η μέγιστη τιμή μετατοπίζεται προς το απόγευμα λόγω της θερμοαποθήκευσης. Στο εσωτερικό της

7 οροφής, η θερμοκρασία αυξάνεται πολύ περισσότερο από ότι στον εσωτερικό αέρα και η διαφοροποίηση ανάμεσα στους δύο τύπους οροφών είναι πολύ πιο έντονη. Σχήμα 3. Χρονική μεταβολή (α) της ηλιακής ακτινοβολίας στο εξωτερικό και το εσωτερικό του δωματίου και (β) της θερμοροής για την απλή (s) και φυτεμένη (g) οροφή. Λόγω του ανατολικού παραθύρου το μέγιστο της θερμοκρασίας παρατηρείται κατά τις πρωινές ώρες παραμένοντας όμως σε ικανοποιητικά επίπεδα σε όλη τη διάρκεια της ημέρας. Στο σχήμα 3b δίνεται η χρονική μεταβολή της μέσης τιμής της θερμοροής διαμέσου όλων των τοιχωμάτων κατά τη διάρκεια της ημέρας για την περίπτωση της απλής (s) και της φυτεμένης οροφής (g). Παρατηρούμε ότι η μέση τιμή είναι πάντα αρνητική και παρουσιάζει μέγιστη τιμή, λίγο μετά τις μεσημεριανές ώρες. Για την περίπτωση της απλής οροφής οι τιμές της θερμοροής είναι μεγαλύτερες (κατά απόλυτη τιμή) λόγω της υψηλότερης εσωτερικής θερμοκρασίας και της χαμηλότερης εξωτερικής θερμοκρασίας που επικρατεί στην φυτεμένη οροφή. Σε όλη τη διάρκεια της ημέρας, η αυξημένη θερμοροή στην περίπτωση της απλής οροφής οδηγεί σε αύξηση της εισερχόμενης ενέργειας (θερμότητα) στο εσωτερικού του δωματίου κατά 17% 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία έγινε χρονικά μεταβαλλόμενη 3Δ αριθμητική προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς ενός δωματίου με δύο εξωτερικούς τοίχους με ανοίγματα και δύο εσωτερικούς, λαμβάνοντας υπόψη την μεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας, τα χαρακτηριστικά των δομικών στοιχείων και την κάλυψη της ανωδομής για δύο περιπτώσεις οροφής, φυτεμένης και μη, και μελετήθηκε το θερμικό ηλιακό κέρδος και η θερμοροή κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής ημέρας. Επιλέχθηκε να εξεταστεί η ισημερία του Σεπτεμβρίου για περιοχή της Κεντρικής Ελλάδας. Σε ότι αφορά την επίδραση της φυτεμένης οροφής στον εξωτερικό περιβάλλοντα χώρο έγινε η παραδοχή ότι μειώνει τοπικά τη θερμοκρασία κατά 4 βαθμούς σε όλη τη διάρκεια της ημέρας. Από τα αποτελέσματα προέκυψε σημαντική μείωση της θερμοκρασίας οροφής και μικρότερη μείωση της θερμοκρασίας του εσωτερικού χώρου για την περίπτωση της φυτεμένες οροφής, ενώ η μείωση του θερμικού ηλιακού κέρδους επιφέρει μείωση των ψυκτικών αναγκών του εσωτερικού χώρου κατά 17% περίπου. Μελλοντική εργασία για την εξέλιξη και τον εμπλουτισμό του παρόντος αριθμητικού μοντέλου αποτελεί ο δυναμικός προσδιορισμός των θερμικών και οπτικών ιδιοτήτων των φυτών και του περιεχομένου των στην οροφή αλλά και η επίδραση αυτών στο εσωτερικό περιβάλλον του υποκείμενου χώρου συναρτήσει της θέσης του ήλιου και του υγρασιακού περιεχομένου των φυτών.

8 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Santamouris, M., Pavlou, C., Doukas, P., Mihalakakou, G., Synnefa, A., Hatzibiros, A. and Patargias, P., 2007, Investigating and analyzing the energy and environmental performance of an experimental green roof system installed in a nursery school building in Athens, Greece, Energy, 32: Eumorfopoulou, K. and Aravantinos, D., 1995, Numerical approach to the contribution of the planted roof to the cooling of buildings, Proceedings of the International symposium of passive cooling of buildings, Greece ELazzarin, M.R., Castellotti, F. and Busato, F., 2005, Experimental measurements and numerical modeling of a green roof, Energy and Buildings, 37: Palomo del Barrio, E., 1998, Analysis of the green roofs cooling potential in buildings, Energy and Buildings, 27: Theodosiou, T.G., 2003, Summer period analysis of the performance of a planted roof as a passive cooling technique, Energy and Buildings, 35: Niachou, A., Papakonstantinou, K., Santamouris, A., Tsangrassoulis, A. and Mihalakakou, G., 2001, Analysis of the green roof thermal properties and investigation of its energy performance, Energy and Buildings, 33: Ondinu, S.N. and Murase, H., 2007, Combining Galerkin methods and neural network analysis to inversely determine thermal conductivity of living green roof materilas, Biosystem engineering, 94(4): Launder, B. E. and Spalding, D. B., 1974, The numerical computation of turbulent flows, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 3: Ferziger, J.H. and Peric, M., 1996, Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer, London Chui, E.H. and Raithby, G.D., 1993, Computation of radiant heat transfer on a nonorthogonal mesh using the finite-volume method, Numerical Heat Transfer. Part B, Fundamentals 23: Raithby, G.D. and Chui, E.H., 1990, A Finite-Volume Method for Predicting a Radiant Heat Transfer in Enclosures with Participating Media, Transactions of ASME Journal of Heat Transfer 112: Kim, S.H. and Huh, K.Y., 2000, A new angular discretization scheme of the finite volume method for 3-D radiative heat transfer in absorbing, emitting and anisotropically scattering media, International Journal of Heat and Mass Transfer 43: Raithby, G.D., 1999, Discussion of the finite-volume method for radiation, and its application using 3D unstructured meshes, Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals 35: Wilcox, D.C., 1994, Comparison of two-equation turbulence models for boundary layers with pressure gradient, AIAA Journal, Vol. 31: